LED조명장치는 자동차분야, 항공, 디스플레이, 전송장치 그리고 특수조명등의 응용장치로의 활용이 증가하고 있다. 일반적으로 고출력 RGB 멀티칩 LED는 표시용이나 경관조명용 또는 감성조명용으로 적용되고 백색 LED는 표시용 조명에서 최근 들어 일반조명용으로 적용되고 있으며, 고출력 백색 LED의 출시와 광효율의 증가는 이를 더욱 가속화하고 있다. 본 논문에서는 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 동일한 사양으로 제작하여 물리적, 전기적, 광학적 조명특성을 분석하여 향후 LED조명시스템의 제작에 정량적 데이터를 제공하고자 한다. 이를 위해 LED의 주요한 물리적 특성인 방열특성에 대한 성능분석, 전기적 특성의 분석을 위한 전력 및 드라이브 효율에 대한 성능분석을 수행하였고 조명특성을 위한 연색성, 배광특성, 광효율을 측정하였다. 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 활용한 응용장치의 적용방법을 확립하고 나아가 다양한 조명시스템에 LED 조명장치를 적용하는데 참고가 되는 기초 데이터를 제시하고자 한다.
LED조명장치는 자동차분야, 항공, 디스플레이, 전송장치 그리고 특수조명등의 응용장치로의 활용이 증가하고 있다. 일반적으로 고출력 RGB 멀티칩 LED는 표시용이나 경관조명용 또는 감성조명용으로 적용되고 백색 LED는 표시용 조명에서 최근 들어 일반조명용으로 적용되고 있으며, 고출력 백색 LED의 출시와 광효율의 증가는 이를 더욱 가속화하고 있다. 본 논문에서는 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 동일한 사양으로 제작하여 물리적, 전기적, 광학적 조명특성을 분석하여 향후 LED조명시스템의 제작에 정량적 데이터를 제공하고자 한다. 이를 위해 LED의 주요한 물리적 특성인 방열특성에 대한 성능분석, 전기적 특성의 분석을 위한 전력 및 드라이브 효율에 대한 성능분석을 수행하였고 조명특성을 위한 연색성, 배광특성, 광효율을 측정하였다. 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치를 활용한 응용장치의 적용방법을 확립하고 나아가 다양한 조명시스템에 LED 조명장치를 적용하는데 참고가 되는 기초 데이터를 제시하고자 한다.
LEDs are increasingly used for many applications including automotive, aviation, display, transportation and special lighting applications. Generally, the RGB multichip LED luminaire applied to signboard, emotional lighting system and display device and the white LED luminaire applied to general lig...
LEDs are increasingly used for many applications including automotive, aviation, display, transportation and special lighting applications. Generally, the RGB multichip LED luminaire applied to signboard, emotional lighting system and display device and the white LED luminaire applied to general lighting system. white LED spectra for general lighting should be designed for high luminous efficacy as well as good color rendering. This paper describes characteristics of LED luminaire white LED and RGB multichip LED. Two type of LED luminaire prototype used experiment physical, electrical and optic test and performance analyzed. RGB multi-chip and phosphor-type white LED luminaire were analyzed by experiment on their color characteristics and luminous efficacy of radiation, distribution curve, and electrical characteristics. Research work is in progress to develop an improved performance for optic and electrical works well for two type of LED luminaires.
LEDs are increasingly used for many applications including automotive, aviation, display, transportation and special lighting applications. Generally, the RGB multichip LED luminaire applied to signboard, emotional lighting system and display device and the white LED luminaire applied to general lighting system. white LED spectra for general lighting should be designed for high luminous efficacy as well as good color rendering. This paper describes characteristics of LED luminaire white LED and RGB multichip LED. Two type of LED luminaire prototype used experiment physical, electrical and optic test and performance analyzed. RGB multi-chip and phosphor-type white LED luminaire were analyzed by experiment on their color characteristics and luminous efficacy of radiation, distribution curve, and electrical characteristics. Research work is in progress to develop an improved performance for optic and electrical works well for two type of LED luminaires.
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문제 정의
또한, 단일 스트링으로 설계하면 전압은 낮은 대신에 전류값이 커져서 배선구조나, 전선의 연결시에 굵은 전선을 사용해야하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 그림 1과 같이 3직렬 2스트링구조를 갖도록 LED 모듈을 구성하여 제작하였다.
본 논문에서는 3[W]급 단일칩으로 제작된 고출력 백색 LED 조명장치와 1[W]급 RGB 단일칩 3개로 제작된 3[W]급 RGB 멀티칩 LED조명장치에 대해 드라이브 설계 제작하여 각각의 전기적, 광학적 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 일정한 출력광을 유지하기 위한 보상용 트랜지스터가 있는 전류싱크 LED 드라이브회로를 구현하였다. 이러한 경우 IF는 식 (2)와 같다.
제안 방법
본 논문에 적용된 백색 LED조명은 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)의 황색 형광체를 이용하는 방식으로 1칩 2단자의 단순한 구조로 제조단가를 절감할 수 있고, 발광효율이 우수하며 백색 조명을 구현하는데 가장 널리 적용되고 있는 고휘도 청색 발광 InGaN LED를 여기광원으로 하였다. 또한, 광출력과 열특성과의 관계 및 색 분류에 따른 LED 구동 특성 차이에서 기인한 혼색 배합의 특성, 입력전압의 크기에 따른 스위칭 회로 그리고 LED 어레이의 구성 방법 등을 고려하여 RGB 멀티칩 LED조명을 최적의 혼색 조명구현을 하였다. 표 1은 고출력 LED의 전기 및 광학적 특성을 나타내고 있다.
본 논문에서는 백색 LED 조명장치와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 프로토타입을 각각 제작하여 전기적·광학적 조명특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 실험은 3[W]급 단일칩으로 제작된 고출력 백색 LED 조명장치와 1[W]급 RGB 단일칩 3개로 제작된 3[W]급 RGB 멀티칩 LED조명장치에 대해 드라이브 설계, 방열판 규격, 그리고 LED칩 배치 등을 고려한 동일한 설계방식을 통해 프로토타입을 제작하여 전기 및 조명특성을 분석하였다.
LED 조명장치는 열설계가 성능과 수명을 좌우는 매우 중요한 설계변수이다. 실험은 먼저 시료를 지 그에 고정하고 적외선 열화상장치를 시료의 정면에 정렬시키고 초점을 조정한 다음 적외선 열화상장치를 작동 시킨 후 시료에 상용전원 220[VAC]를 인가하여 발광시켰다. 그림 8은 열화상카메라를 이용한 방열설계에 따른 LED 소자의 방열특성으로 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 온도변화 특성에 대한 그래프로 발광후 초기부터 2시간 동안 시료의 온도변화를 측정하여 나타내었다.
그림 3은 적용된 전류 싱크 LED 드라이브회로 방식에 따른 전체회로의 블록다이어그램이다. 직류필터 후단에 전류 레귤레이터를 구성하여 2스테이지 구성방식으로 회로구조가 복잡한 반면에 전원공급이 매우 안정적인 구조로 설계하였다.
대상 데이터
본 논문에 적용된 백색 LED조명은 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)의 황색 형광체를 이용하는 방식으로 1칩 2단자의 단순한 구조로 제조단가를 절감할 수 있고, 발광효율이 우수하며 백색 조명을 구현하는데 가장 널리 적용되고 있는 고휘도 청색 발광 InGaN LED를 여기광원으로 하였다. 또한, 광출력과 열특성과의 관계 및 색 분류에 따른 LED 구동 특성 차이에서 기인한 혼색 배합의 특성, 입력전압의 크기에 따른 스위칭 회로 그리고 LED 어레이의 구성 방법 등을 고려하여 RGB 멀티칩 LED조명을 최적의 혼색 조명구현을 하였다.
성능/효과
(a)의 백색 LED의 스펙트럼에서는 570[nm] 파장의 yellow 계열이 뚜렷이 나타내고 있으며, 이때 색온도는 XY Chromaticity 다이어그램 상에서 x=0.29, y=0.30으로 약 7,600[°K]로 나타났다.
그림 8은 열화상카메라를 이용한 방열설계에 따른 LED 소자의 방열특성으로 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 온도변화 특성에 대한 그래프로 발광후 초기부터 2시간 동안 시료의 온도변화를 측정하여 나타내었다. 그림 (a)와 (b)에서와 같이 측정시 외기조건은 온도 25[℃], 상대습도 50[%]의 상태에서 LED칩과 방열판의 접촉면온도가 백색 LED의 경우 평균온도가 53[℃], RGB 멀티칩 모듈의 경우 55.4[℃]에서 안정화되는 온도특성으로 백색 LED의 경우보다 RGB 멀티칩 LED에서 약간 높은 온도 특성을 나타냈다.
(b)의 RGB 멀티칩 LED 에서는 적색과 녹색의 명암대비 차이가 크고 적색의 색범위 영역이 크게 나타나는 현상을 관찰할 수 있었으며, 색온도는 다이어그램 상에서 x=0.29, y=0.29로 약 6,500[°K]로 나타났으며 백색 LED에서 보다 색온도가 낮음을 알 수 있었다.
넷째, 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 배광특성은 두 조명장치에서 거의 유사한 배광특성을 가지나 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 백색 LED 조명장치에 비해 좀 더 넓게 나타났다.
둘째, LED칩과 방열판의 온도변화 특성은 백색 LED의 경우 평균온도가 53[℃], RGB 멀티칩 모듈의경우 55.4[℃]에서 안정화되는 온도특성으로 백색 LED의 경우보다 RGB 멀티칩 LED에서 약간 높은 온도 특성을 나타냈다.
그림 12는 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 배광특성을 나타낸다. 배광특성 측정결과 두 조명장치에서는 거의 유사한 배광특성을 가지나 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 백색 LED조명장치에 비해 좀 더 넓게 나타났다. 이는 칩 LED 패키지내의 칩이 넓게 분산되어 분포된 특성을 반영한 것으로 파악된다.
셋째, RGB 멀티칩 LED에 비하여 백색 LED의 경우가 연색지수나 광효율에서 우수한 특성을 나타내 었다.
위의 실험결과를 분석한 결과 백색 LED 조명장치는 향후 기존 조명대체용으로 적용할 수 있는 조명 특성을 나타냈다. 그리고 감성조명, 표시용 조명, 광고판 등에 적용되고 있는 RGB 멀티칩 LED는 명암 대비차이가 커서 색구분 능력이 큰 작업장의 경우 특수조명으로 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 유리하게 사용할 수 있으나 연색성을 보완하기 위해서는 amber계열을 추가하여 구현을 하여야 할 것으로 보인다.
9[lm/W]의 평균 광효율을 나타냈다. 이 결과로부터 백색 LED 광효율이 RGB 멀티칩 LED에서의 광효율이 더 높게 나타내었으며, 90분 후부터는 안정된 광효율의 특성을 나타내었다.
첫째, 전기적인 특성으로 백색 LED 모듈의 입력 전력은 28.3[W], RGB 멀티칩 LED 경우 18.4[W]의 입력전력으로 안정적 동작을 확인하였으며, 역율은 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 모두에서 92[%]이었다.
그림 11은 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 CRI의 측정결과를 나타낸다. 측정결과 백색 LED는 72이었고, RGB 멀티칩 LED 조명장치는 65로 RGB 멀티칩 LED에서 CRI 값이 낮게 나타내었다. 이는 그림 10의 결과에서와 같이 RGB 멀티칩 LED에서 백색 LED에서 보다 스펙트럼의 대역폭이 좁고 580[nm] 파장의 yellow 계열이 전혀 나타나지 않는 등의 요인으로 인해 CRI가 낮게 나타난 것으로 분석된다.
후속연구
위의 실험결과를 분석한 결과 백색 LED 조명장치는 향후 기존 조명대체용으로 적용할 수 있는 조명 특성을 나타냈다. 그리고 감성조명, 표시용 조명, 광고판 등에 적용되고 있는 RGB 멀티칩 LED는 명암 대비차이가 커서 색구분 능력이 큰 작업장의 경우 특수조명으로 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 유리하게 사용할 수 있으나 연색성을 보완하기 위해서는 amber계열을 추가하여 구현을 하여야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED조명장치의 인식은 어떠한가?
최근 고효율 조명기구 개발에 대한 요구가 한층 높아지고 있는 상황에서 조명효율을 25[%] 향상시키면 약 2,500억[kWh]의 전력이 절감되고 1억 5천만 톤의 CO2를 절감할 수 있다[1]. LED조명장치는 에너지 절감과 친환경 효과로 인해 차세대 조명장치로 각광받고 있으며 이러한 산업기술의 동향은 고효율 LED 조명시스템을 차세대 고효율 대체광원으로 인식하고 있다[2-3]. LED 조명은 반도체 조명의(Solid state light, SSL) 가장 유망한 소재로 이론적으로 입력에너지의 약 43[%]를 가시광선으로 변환시킨다[4].
LED조명장치가 활용되는 분야는?
LED조명장치는 자동차분야, 항공, 디스플레이, 전송장치 그리고 특수조명등의 응용장치로의 활용이 증가하고 있다. 일반적으로 고출력 RGB 멀티칩 LED는 표시용이나 경관조명용 또는 감성조명용으로 적용되고 백색 LED는 표시용 조명에서 최근 들어 일반조명용으로 적용되고 있으며, 고출력 백색 LED의 출시와 광효율의 증가는 이를 더욱 가속화하고 있다.
본 논문에서는 백색 LED 조명장치와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 프로토타입을 각각 제작하여 전기적․광학적 조명특성을 분석하였다, 분석결과는?
첫째, 전기적인 특성으로 백색 LED 모듈의 입력 전력은 28.3[W], RGB 멀티칩 LED 경우 18.4[W]의 입력전력으로 안정적 동작을 확인하였으며, 역율은 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 모두에서 92[%]이었다.
둘째, LED칩과 방열판의 온도변화 특성은 백색 LED의 경우 평균온도가 53[℃], RGB 멀티칩 모듈의경우 55.4[℃]에서 안정화되는 온도특성으로 백색 LED의 경우보다 RGB 멀티칩 LED에서 약간 높은 온도 특성을 나타냈다.
셋째, RGB 멀티칩 LED에 비하여 백색 LED의 경우가 연색지수나 광효율에서 우수한 특성을 나타내 었다.
넷째, 백색 LED와 RGB 멀티칩 LED 조명장치의 배광특성은 두 조명장치에서 거의 유사한 배광특성을 가지나 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 백색 LED 조명장치에 비해 좀 더 넓게 나타났다.
위의 실험결과를 분석한 결과 백색 LED 조명장치는 향후 기존 조명대체용으로 적용할 수 있는 조명 특성을 나타냈다. 그리고 감성조명, 표시용 조명, 광고판 등에 적용되고 있는 RGB 멀티칩 LED는 명암 대비차이가 커서 색구분 능력이 큰 작업장의 경우 특수조명으로 RGB 멀티칩 LED 조명장치가 유리하게 사용할 수 있으나 연색성을 보완하기 위해서는 amber계열을 추가하여 구현을 하여야 할 것으로 보인다.
참고문헌 (6)
O. Moisio, P. Pinho, E. Tetri and L. Halonen, 'Controlling colour temperature of LED-luminaire,' in Proceedings of the 10th International Symposium on the Science and Technology of Light Sources - Toulouse, France, 2004, pp. 375-376
Borb $\acute{e}$ ly, A., A. S $\acute{a}$ mson, and J. Schanda. 'The Concept of Correlated Color Temperature Revisited,' Color Research & Application 2001, 26(6), pp.450？457
P. Pinho, E. Tetri and L. Halonen, 'Synergies of controller-based LED drivers and quality solid-state lighting,' in Proceedings of the 2nd Conference on Ph.D. Research in Micro Electronics and Electronics - PRIME 2006, 2006, pp. 405-408
Yimin Gu, Nadarajah Narendran, Tianming Dong and Huiying Wu, 'Spectral and Luminous efficacy change of High-power LEDs under different dimming methods', Proc. of SPIE6337. 6th ICSSL
Roya Mirhosseini1, Martin F. Schubert1, Sameer Chhajed1, Jaehee Cho1, Jong Kyu Kim1, and E. Fred Schubert, 'Improved color rendering and luminous efficacy in phosphor-converted white light-emitting diodes by use of dual-blue emitting active regions', 22 June 2009, Vol. 17, No. 13, OPTICS EXPRESS
Yoshi Ohno,'Color Rendering and Luminous Efficacy of White LED Spectra', SPIE, Bellingham, WA, 2004, Proc. of SPIE Vol. 5530, pp. 88-98
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